pengembangan prototype sistem pendinginan...

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGEMBANGAN PROTOTYPE SISTEM PENDINGINAN KOMPONEN ELEKTRONIK

BERBASIS JET SINTETIK ALIRAN IMPINGING

TESIS

RIKKO DEFRIADI 1006735744

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK JANUARI 2012

Pengembangan prototype..., Rikko Defriadi, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGEMBANGAN PROTOTYPE SISTEM PENDINGINAN KOMPONEN ELEKTRONIK

BERBASIS JET SINTETIK ALIRAN IMPINGING

TESIS Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik

RIKKO DEFRIADI 1006735744

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK JANUARI 2012


iv

UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas

rahmat-Nya, saya dapat menyelesaikan thesis ini. Penulisan thesis ini dilakukan

dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dalam

penulisan thesis ini, saya sangat berterima kasih kepada berbagai pihak atas

bantuan dan bimbingannya karena sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan

thesis ini tanpa bantuan dan bimbingan tersebut. Oleh karena itu saya

mengucapkan terima kasih kepada :

1. Dr. Ir. Harinaldi, M.Eng, atas segala waktu, tenaga dan kesabaran dalam

membimbing dan mengarahkan dari awal sampai akhir pembuatan thesis ini.

2. Damora Rhakasywi ST., M.T, Kenfery ST. dan Edward ST.. selaku

mahasiswa S3 dan S1 yang telah memberikan banyak ilmu dan

pengalamannya dalam pembuatan alat pengujian thesis.

3. Orang tua dan keluarga yang telah memberikan doa dan dukungannya kepada

saya untuk tetap semangat.

4. Edward sebagai rekan satu tim yang selalu bersemangat, kreatif dan aktif

untuk mengerjakan thesis ini.

5. Teman – teman lab mekanika fluida dan lab pendingin yang banyak

memberikan bantuan, saran dan motivasinya dalam mengerjakan thesis.

6. Serta pihak-pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu

Akhir kata, saya berharap Tuhan Yang Maha Esa berkenan untuk membalas

segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga thesis ini dapat

membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Depok, JANUARI 2012

Penulis


vi

Universitas Indonesia

ABSTRAK

Nama : Rikko Defriadi

Program Studi : Teknik Mesin

Judul : Pengembangan Prototype Sistem Pendinginan Komponen

Mikroelektronik Berbasis Jet Sintetik Aliran Impinging

Sejalan dengan perkembangan peradaban, kehidupan manusia tidak bisa

terlepas dari berbagai peralatan elektronika yang memiliki banyak sekali komponen

seperti: transistor, kapasitor, resistor, dll. Komponen elektronik ini memancarkan

panas sewaktu mereka beroperasi, sehingga untuk mengatasi masalah ini, diperlukan

suatu sistem pendinginan yang efektif. Kebanyakan dari system pendinginan

komponen elektronika yang dipakai sekarang ini berbasis pada fan. Namun sistem ini

semakin tidak memadai dengan perkembangan teknologi elektronika yang semakin

mengarah pada miniaturisasi produk. Sebagai alternatif pengganti sistem berbasis fan

ini, manusia mengembangkan suatu alat yang disebut jet sintetik. Jet sintetik memiliki

dimensi yang relatif kecil, tingkat kebisingan yang lebih kecil, lebih sedikit

memancarkan panas dan yang paling penting jet sintetik memiliki efisiensi

pendinginan yang lebih besar dibanding fan.

Thesis ini membahas hasil penelitian yang dilakukan terhadap 4 prototype

desain original jet sintetik dengan menggunakan kombinasi pendekatan komputasi

dan eksperimen. Tahap komputasional pada penelitian ini dilakukan dengan

menggunakan software CFD Fluent dengan model turbulensi k-ω SST dengan elemen

meshing Tet/Hybrid tipe Tgrid untuk melihat distribusi aliran pada jet sintetik.

Sedangkan pada tahap eksperimental akan dipelajari karakteristik perpindahan panas

konveksi dengan variasi jenis gelombang sinusoidal, triangle dan square pada

frekuensi 80 Hz, 120 Hz dan160 Hz.

Kata Kunci : Efisiensi, Impinging Jet Sintetik, Gelombang Sinusoidal, Gelombang Triangle, Gelombang Square, CFD Fluent, Model Turbulensi k-ω SST, Meshing, Laju Perpindahan Panas Konveksi.


vii


ABSTRACT

Name : Rikko Defriadi

Study Program : Mechanical Engineering

Title : Development of Microelectronic Component Cooling

System Prototype Using Synthetic Jet Impinging Flow

In line with the development of civilization, human life can not be separated

from a various electronic equipment that has many components such as transistors,

capacitors, resistors, etc. These electronic components emits heat when they operate,

an effective cooling system is required in order to overcome this problem. Most of

the electronic component cooling systems used today are based on the fan. But this

system is inadequate to the development of electronics technology that increasingly

lead to the product miniaturization. As an alternative to this fan-based system,

humans developed a device called synthetic jet. Synthetic jets have relatively small

dimensions, smaller noise level, emits less heat and the most important that synthetic

jet has a greater cooling efficiency than fan.

This thesis discusses the results of research conducted on four original

designed synthetic jet prototype using a combination of computational and

experimental approaches. Computational phase was conducted using Fluent CFD

software with k-ω SST turbulence model with meshing elements of the Tet / Hybrid

type Tgrid to see the flow distribution in the synthetic jet. While the experimental

phase will be studied at the convective heat transfer characteristics with variations in

type of sinusoidal wave, triangle and square at a frequency of 80 Hz, 120 Hz dan160

Hz.

Key Words : Efficiency, Impinging Synthetic Jet, Sinusoidal Wave, Triangle Wave, Square Wave, Fluent CFD, Turbulence Models of k-ω SST, Meshing, Convective Heat Transfer.


viii


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ..................................................................................................... i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ......................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................................... iii

UCAPAN TERIMA KASIH ........................................................................................ iv

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ..................................... v

ABSTRAK ................................................................................................................... vi

DAFTAR ISI .............................................................................................................. viii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... xi

DAFTAR TABEL ...................................................................................................... xiv

DAFTAR NOTASI ..................................................................................................... xv

BAB 1. PENDAHULUAN .......................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1

1.2 Pembatasan Masalah ........................................................................................... 1

1.3 Metodologi .......................................................................................................... 2

1.4 Tujuan Penelitian ................................................................................................. 2

1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................................... 3

BAB 2. DASAR TEORI .............................................................................................. 4

2.1 Jet Sintetik ........................................................................................................... 4

2.2 Gelombang .......................................................................................................... 8

2.3 Perpindahan Kalor ............................................................................................. 14

2.3.1 Perpindahan Kalor Konduksi ..................................................................... 14

2.3.2 Perpindahan Kalor Konveksi ...................................................................... 15

2.3.3 Perpindahan Kalor Radiasi ......................................................................... 16

2.4 Aliran Fluida ...................................................................................................... 16

2.4.1 Aliran Laminar ........................................................................................... 16


ix


2.4.2 Aliran Transisi ............................................................................................ 17

2.4.3 Aliran Turbulen .......................................................................................... 17

2.5 CFD Fluent ........................................................................................................ 18

2.5.1 Gambit ........................................................................................................ 18

2.5.2 Fluent .......................................................................................................... 19

BAB 3. SISTEM PENDINGINAN DENGAN JET SINTETIK ............................ 22

3.1 Diagram Alir Penelitian ..................................................................................... 22

3.2 Modul Jet Sintetik ............................................................................................. 23

3.3 Tahap Komputasional ........................................................................................ 25

3.4 Tahap Eksperimen ............................................................................................. 29

3.4.1 Komponen dan Peralatan Tambahan .......................................................... 29

3.4.2 Prosedur Pengambilan Data........................................................................ 34

BAB 4. ANALISA DATA ......................................................................................... 36

4.1 Analisa Data Komputasional ............................................................................. 36

4.1.1 Evolusi aliran pada prototype 1 .................................................................. 36




4.2 Analisa Data Eksperimental .............................................................................. 75

4.2.1 Analisa koefisien perpindahan panas konveksi thdp waktu pada pro 1 ..... 77




4.3 Perbandingan data komputational dan eksperimental ....................................... 80

4.4 Tingkat Kepercayaan & Persentase Error Pengukuran Penelitian .................... 82

4.4.1 Statistik deskriptif terhadap data pengukuran prototype 1 ......................... 83




x



BAB 5. KESIMPULAN ............................................................................................ 87

5.1 Kesimpulan ........................................................................................................ 87

5.2 Saran .................................................................................................................. 87

DAFTAR REFERENSI ............................................................................................ 88


xi


DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sketsa dari synthetic jet yang terbentuk karena adanya pergerakan diafragma dalam cavity ......................................................................... 4

Gambar 2.2 Model Impinging Jet ............................................................................. 6

Gambar 2.3 Model Cross-Flow Jet ........................................................................... 6

Gambar 2.4 Gelombang yang merambat pada sebuah tali ....................................... 8

Gambar 2.5 Gelombang Transversal ........................................................................ 9

Gambar 2.6 Gelombang Longitudinal ...................................................................... 9

Gambar 2.7 Gelombang satu dimensi yang berjalan ke arah kanan dengan kecepatan v pada t=0 ........................................................................... 10

Gambar 2.8 Gelombang satu dimensi yang berjalan ke arah kanan dengan kecepatan v setelah berjalan selama t detik ........................................ 11

Gambar 2.9 Gelombang sinusoidal yang berjalan ke arah kanan dengan kecepatan v ........................................................................................................... 11

Gambar 2.10 Gelombang square dan triangle........................................................... 12

Gambar 2.11 Transformasi gelombang sinus menjadi triangle ................................ 13

Gambar 2.12 Transformasi gelombang sinus menjadi square ................................. 13

Gambar 2.13 Skema perpindahan kalor konveksi .................................................... 15

Gambar 2.14 Aliran laminar ..................................................................................... 17

Gambar 2.15 Aliran turbulen .................................................................................... 17

Gambar 2.16 Skematik proses kerja step by step Gambit – CFD ............................ 19

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ...................................................................... 22

Gambar 3.2 Model fisik synthetic jet ...................................................................... 23

Gambar 3.3 Synthetic jet cross section (dalam cm) ............................................... 24

Gambar 3.4 Synthetic jet computational domain ................................................... 26

Gambar 3.5 Experimental Set-Up ........................................................................... 29


xii


Gambar 3.6 Thermostat .......................................................................................... 29

Gambar 3.7 Heater Mat .......................................................................................... 30

Gambar 3.8 Jet sintetik tampak atas dan tampak bawah ........................................ 30

Gambar 3.9 Temperature data logger .................................................................... 31

Gambar 3.10 Heat sink ............................................................................................. 32

Gambar 3.11 Function Generator ............................................................................ 32

Gambar 3.12 Komputer ............................................................................................ 33

Gambar 3.13 Thermocouple ..................................................................................... 33

Gambar 3.14 Thermo-Hygrometer ........................................................................... 34

Gambar 3.15 Skema peletakan thermocouple pada heatsink.................................... 34

Gambar 4.1 Skema pergerakan synthetic jet ........................................................... 36

Gambar 4.2 Intensitas turbulensi (%) pada prototype 1 ......................................... 37

Gambar 4.3 Konduktivitas thermal udara (W/mK) pada prototype 1 .................... 40

Gambar 4.4 Nilai temperature (oC) pada prototype 1 ............................................. 43










Gambar 4.14 Ilustrasi peletakan thermocouple pada heatsink ................................ 75


xiii


Gambar 4.15 Ilustrasi resistansi thermal yang terjadi pada pengukuran ................. 75

Gambar 4.16 Koefisien perpindahan panas konveksi prototype 1 thdp waktu ........ 77




Gambar 4.20 Koefisien perpindahan panas konveksi seluruh prototype 80 Hz ....... 81

Gambar 4.21 Koefisien perpindahan panas konveksi seluruh prototype 120 Hz ..... 82

Gambar 4.22 Koefisien perpindahan panas konveksi seluruh prototype 160 Hz ..... 82


xiv


DAFTAR TABEL

Tabel Kondisi Komputasi ........................................................................................... 27


xv


DAFTAR NOTASI

f frekuensi (hz) k konduktivitas,kehantaran termal benda (W/m.K) q laju perpindahan kalor (W) s jarak tempuh (m) t waktu (s) v kcepatan partikel (m/s) A amplitudo gelombang (m); luasan penampang (m2) D diameter pipa (m) Re bilangan Reynolds T periode (s) Tw temperatur dinding (oC) T∞ temperatur freestream (oC) V kecepatan rambat gelombang;

kecepatan rata-rata fluida yang mengalir (m/s) Vo kecepatan awal gelombang (m/s) k koefisien angular gelombang(m-1) λ panjang gelombang (m) μ viskositas dinamik fluida (kg/m.s) ω frekuensi angular (s-1) π pi, bilangan tak berdimensi ρ massa jenis fluida (kg/m3) Σ sigma θ sudut antara sumbu simetri dengan arah gerak(o) σ konstanta proporsionalitas / Stefan-Boltzman (5,669x10-8W/m2K4) ϕ beda fasa

gradien temperatur


1


BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perangkat elektronik telah menjadi suatu kebutuhan yang tidak

terpisahkan dari kehidupan manusia. Setiap manusia memerlukan perangkat

elektronik terutama untuk menunjang kebutuhan mereka seperti komunikasi,

hiburan dan sebagainya. Sejak pertama kali diciptakan hingga sekarang

perangkat elektronik seperti telepon genggam dan laptop, telah mengalami

perubahan yang sangat drastis terutaman dari segi dimensi. Dimensi

perangkat elektronik tersebut mengecil sesuai dengan kebutuhan manusia

akan kemudahan dan kepraktisan sehingga dapat menunjang mobilitas

mereka.

Setiap perangkat elektronik memiliki kekurangan yakni panas yang

dihasilkan dari komponen-komponen yang terdapat dalam perangkat tersebut

selama beroperasi. Selama ini fan (kipas angin) menjadi solusi terhadap

permasalahan tersebut. Panas ditiup keluar dari dalam casing perangkat

elektronik guna mendinginkan suhu di dalam casing perangkat elektronik

tersebut. Tetapi cara ini tidak efektif dikarenakan fan memiliki kerterbatasan

dalam hal dimensi. Fan berkerja berdasarkan prinsip elektromagnet sehingga

ia memerlukan ruang minimum untuk meletakkan komponen berupa coil

(lilitan kawat tembaga) dan magnet.

Jet sintetik merupakan suatu terobosan baru dalam hal pendinginan

komponen elektronika. Dengan menggunakan prinsip vortex flow dari aliran

udara yang melalui celah sempit (nozzle) jet sintetik dapat memungkinkan

terjadinya pendinginan yang optimum pada dimensi yang kecil. Jet sintetik

menggunakan membran elastis yang berosilasi untuk membangkitkan aliran

udara di dalam rongga jet sintetik.

1.2 Pembatasan Masalah

Pada laporan ini akan dibahas mengenai sistem pendinginan pada heat

sink menggunakan 4 prototype jet sintetik yang telah di desain sebelumnya


2


dan kemudian dikontrol menggunakan function generator. Experimen yang

dilakukan ini menggunakan gelombang sinusoidal, triangle dan square untuk

meng-oscilasikan membran bagian atas dan bawah pada jet sintetik dengan

variasi frekuensi gelombangnya 80Hz, 120Hz dan 160Hz dan dengan

amplitudo 1m/s pada suhu temperatur lingkungan +/- 27 oC – 30 oC.

Kemudian dilakukan simulasi aliran dan analisa data perubahan panas dari

waktu ke waktu serta analisa terhadap koefisien perpindahan panas pada

sintetik jet dengan variasi frekuensi gelombang tersebut.

1.3 Metodologi

Dalam pengerjaan laporan ini dilakukan pengumpulan data dengan

menggunakan

1. Studi Literatur

Digunakan referensi dari buku, jurnal dan penelusuran internet sebagai

informasi tambahan mengenai dasar sistem pendinginan pada sintetik jet

dan perhitungan yang ada

2. Software CFD FLUENT

Software ini digunakan untuk mensimulasikan aliran udara yang terjadi di

dalam Jet sintetik.

3. Software Solid Works

Software ini digunakan untuk mendesain Jet sintetik.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini secara umum adalah mengembangkan ptototype serta

kombinasi sinyal yang baik guna meningkatkan efektivitas kerja jet sintetik

dalam hal pendinginan komponen mikroelektronik. Diharapkan dengan

penelitian ini didapatkan suatu acuan untuk mendesain prototype jet sintetik

yang lebih baik dari segi desain serta dimensi serta lebih kompatibel dengan

berbagai tujuan pendinginan yang ada.


3


1.5 Sistematika Penulisan

Penulisan hasil penelitian ini dibagi dalam beberapa bab yang saling

berhubungan. Adapun urutan dalam penulisan laporan ini terlihat pada uraian

dibawah ini :

BAB 1 :Pada bab ini dijelaskan tentang latar belakang penelitian, tujuan,

batasan masalah, dan sistematika penulisan peneletian.

BAB 2 :Pada bab ini diuraikan tentang studi literatur yang berkaitan

dengan penelitian thesis ini.

BAB 3 :Pada bab ini berisi prosedur penelitian, daftar alat dan bahan yang

digunakan dalam penelitian.

BAB 4 :Bab ini berisi data-data hasil penelitian dan analisa dari hasil

penelitian tersebut yang dibandingkan dengan hasil dari studi literatur

BAB 5 :Bab ini berisikan kesimpulan akhir berdasarkan hasil dan

pembahasan penelitian ini


4


BAB 2

DASAR TEORI

2.1 Jet Sintetik

Jet sintetik adalah aliran jet yang terbentuk oleh perubahan waktu ke

waktu, dari akumulasi suction dan discharge fluida yang berulang melewati

celah sempit. Jet sintetik digerakkan oleh sebuah aktuator berupa membran

elastis khusus. Jet sintetik berbeda dengan jet tradisional dimana pada jet

tradisional diperlukan suatu saluran khusus sebagai tempat udara masuk

sedangkat jet sintetik memiliki satu channel sebagai saluran masuk dan keluar

sehingga jet sintetik disebut juga sebagai Zero Net Mass Flux. Prinsip kerja Jet

sintetik secara visual dapat digambarkan seperti pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Sketsa dari jet sintetik yang terbentuk karena adanya pergerakan diafragma

dalam cavity

(Sumber: Lasance & Aarts, 2008)

Proses terbentuknya jet sintetik telah diteliti dan ditunjukkan dalam

beberapa hasil penelitian yang diantaranya telah dilakukan oleh Jagannatha

dkk. (2007) dan Zhang & Tan (2007). Proses-proses terbentuknya jet sintetik

terjadi di dalam cavity. Dimana diafragma atau membran akan digerakkan

secara periodik menggunakan sinyal yang disupply oleh function generator.

Pada saat membran tersebut berosilasi, gerakan membran akan mendorong


5


udara di dalam cavity ke segala arah. Kemudian fluida udara di dalam cavity

dipaksa bergerak menuju keluar dari cavity melalui nozzle.

Terdapat 2 fase dalam siklus gerakan jet sintetik yaitu fase hisap (suction)

dan fase semburan (discharge). Kedua fase ini terbentuk karena gerakan

membran yang mengalami amplitudo pada titik tertinggi dan titik terendah.

Titik tertinggi ialah saat dimana fase discharge terjadi sedangkan titik

terendah ialah saat dimana fase suction terjadi. Pada saat aliran fluida keluar

dari cavity jet sintetik, aliran fluida cenderung akan membentuk vortex akibat

gesekan antara udara keluar dengan udara sekitar (adanya perbedaan

kecepatan). Lapisan geser akan terbentuk antara udara keluar jet sintetik

dengan udara luar. Lapisan geser dan turbulensi pada sisi luar mengakibatkan

terbentuknya pasangan cincin vortex dan kemudian cincin-cincin vortex ini

dipergunakan untuk menghasilkan efek perpindahan panas konvektif kontrol

aliran termal yang lebih baik terhadap suatu heat sink yang dipasang.

Setiap tahunnya, jet sintetik mengalami pengembangan sceara terus

menerus. Dimana diharapkan suatu teknologi jet sintetik dapat menggantikan

pendinginan konvensional berbasis fan. Jet sintetik memiliki beberapa

keuntungan dibandingkan dengan fan. Pada sistem fan kebutuhan suplai udara

dipenuhi dengan mengalirkan fluida udara dari satu tempat ke tempat lainnya.

Sedangkan sistem jet sintetik menawarkan keuntungan utama yaitu hanya

menggunakan udara yang sama yang terus diputar oleh sistemnya (Sharma,

2007). Selain itu fan dinilai kurang efisien pada besarnya panas yang dibuang

terhadap besarnya volume aliran (Mahalingam dkk, 2006). Keuntungan lain

dari sistem pendinginan menggunakan jet sintetik dibanding fan untuk

performa heat transfer yang sama, antara lain (Lasance & Aarts, 2008):

• Tingkat kebisingan yang jauh lebih rendah

• Efisiensi (termodinamik) yang lebih baik, kebutuhan daya hanya

setengahnya atau kurang

• Memiliki form factor yang jauh lebih baik sehingga bersifat

“design-friendly”

• Reliability (tahan uji) intrinsik yang lebih tinggi


6


• Masalah fouling yang lebih rendah, komponen bergerak dapat

dilindungi dari ambient

• Miniaturisasi produk lebih mudah dibanding fan

• Memiliki kemungkinan peredaman kebisingan yang lebih simple

Jet sintetik juga memiliki kelemahan, terutama pada jenis impinging. Hal

ini terlihat pada fluida udara yang dihisap kembali pada fase suction saat

membran jet sintetik berosilasi. Jika udara yang dibuang pada fase discharge

terdapat udara panas dan dihisap kembali ke dalam cavity maka akan timbul

akumulasi panas dalam cavity jet sintetik (Tesar, 2005).

Jet Sintetik terbagi atas dua macam model uji yaitu model impinging jet

dan cross-flow jet. Kedua model tersebut digambarkan seperti pada gambar

2.2 dan gambar 2.3.

Gambar 2.2 Model Impinging Jet

(Sumber: Persoons, O’Donovan & B.Murray, 2008)

Gambar 2.3 Model Cross-Flow Jet

(Sumber: Raghav Mahalingam, 2007)


7


Model impinging dan cross-flow jet memiliki perbedaan pada bagian bidang

aliran fluida yang dituju. Pada Impinging jet, arah aliran vortex diarahkan

menuju heated wall sehingga aliran vortex membentur heated wall dan

kemudian aliran vortex bergerak sepanjang dinding, sementara cross-flow jet

mengarahkan vortex yang keluar dari orifis langsung melewati dinding

komponen dan bergerak sejajar dinding. Terdapat tiga variabel utama yang

mempengaruhi perpindahan kalor pada jet sintetik impinging yaitu frekuensi

eksitasi, panjang langkah dan ketinggian orifis terhadap permukaan (Mc

Guinn dkk, 2008).

Jet sintetik telah diteliti oleh banyak pihak dan instansi, akan tetapi

pengetahuan mengenai jet sintetik sebenarnya masih sangat terbatas. Seperti

dikemukakan oleh King & Jagannatha (2009) dimana mereka mengatakan

bahwa perbandingan bilangan Nusselt pada jet sintetik dengan menggunakan

gelombang sinusoidal dan non-sinusoidal menjunjukkan koefisien heat

transfer yang lebih baik sekitar 5-10% lebih baik untuk gelombang non-

sinusoidal. King dan Jagannatha telah menunjukkan bahwa penelitian

mengenai jet sintetik menggunakan gelombang non-sinusoidal masih sangat

kurang, padahal penggunaan gelombang non-sinusoidal untuk jet sintetik

menunjukkan koefisien heat transfer yang lebih baik. Oleh karena itu,

penggunaan gelombang lain yang umum seperti triangle dan square perlu

dilakukan.

Jet sintetik dengan menggunakan perpaduan dua sinyal belum pernah

diteliti sebelumnya. Kebanyakan hanya menggunakan eksitasi dari satu sinyal

dengan memvariasikan cavity untuk mendapat vortex dengan intensitas

tertentu. Lasance dkk (2010) membuat jet sintetik dengan menggunakan

loudspeaker sebagai membran dan cavity dengan ruangan yang memiliki

perbedaan volume yang menyempit guna menciptakan suatu vortex yang

memiliki nilai heat transfer coefficient yang cukup kuat. Dimana nilai heat

transfer coefficient yang dihasilkan bergantung dari eksitasi (frekuensi)

getaran yang diberikan kepada loudspeaker.


8


2.2 Gelombang

Gelombang merupakan perubahan energi dan momentum dari satu titik di

dalam ruang ke titik lain tanpa perpindahan materi. Contohnya pada sebuah

tali yang digerakkan dimana salah satu ujungnya diikat di sebuah dinding,

maka ketika tali itu digerakkan, energi dan momentum yang diberikan akan

menjalar melalui tali tersebut.

Gambar 2.4 Gelombang yang merambat pada sebuah tali

(Sumber: Fundamental of Physics-Haliday Resnick,2000)

Gelombang dibedakan menjadi dua jenis yaitu:

1) berdasarkan arah rambat gelombang,

2) berdasarkan mediumnya.

Berdasarkan arah rambat gelombang, gelombang dibedakan lagi menjadi dua

yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang

transversal merupakan gelombang yang arah gerak partikelnya tegak lurus


9


dengan arah rambatannya. Contoh gelombang transversal adalah gelombang

cahaya dan gelombang pada tali.

Gambar 2.5 Gelombang Transversal


Sedangkan gelombang longitudinal merupakan gelombang yang arah

gerak partikelnya sejajar dengan arah rambatannya. Contoh gelombang ini

adalah gelombang bunyi di udara. Gelombang longitudinal ini memiliki

rapatan dan regangan tertentu pada bentuk gelombangnya.

Gambar 2.6 Gelombang Longitudinal



10


Selanjutnya adalah gelombang berdasarkan mediumnya. Gelombang jenis

ini dibagi dua yaitu gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik.

Gelombang mekanik merupakan gelombang yang energi dan momentumnya

dipindahkan melalui suatu medium. Contoh gelombang ini adalah gelombang

pada tali dan gelombang bunyi di udara. Gelombang elektromagnetik adalah

gelombang yang energi dan momentumnya dibawa oleh medan listrik dan

magnet yang dapat menjalar di dalam ruang vakum. Contoh gelombang ini

adalah gelombang cahaya, gelombang radio dan sinar X.

Jika kita tinjau sebuah tali yang panjang yang diregangkan pada sumbu x

dan sebuah gelombang transversal bergerak sepanjang tali tersebut, maka pada

suatu saat t=0, bentuk persamaan pada tali tersebut dapat dinyatakan oleh:

� � �� (2.1)

Gambar 2.7 Gelombang satu dimensi yang berjalan ke arah kanan dengan kecepatan v

pada t = 0


Setelah gelombang berjalan selama t detik sejarak vt, dimana v adalah

besarnya kecepatan gelombang yang dianggap konstan maka persamaan pada

tali tersebut dapat dinyatakan oleh

-pada saat gelombang berjalan ke arah kanan

� � �� (2.2)

-pada saat gelombang berjalan ke arah kiri


11


� � �� (2.3)

Gambar 2.8 Gelombang satu dimensi yang berjalan ke arah kanan dengan kecepatan v

setelah berjalan selama t detik


Gambar 2.9 Gelombang sinusoidal yang berjalan kea rah kanan dengan kecepatan v


Bentuk gelombang terdiri dari berbagai macam di antaranya adalah

gelombang sinusoidal dan gelombang segitiga. Gelombang sinusoidal

merupakan gelombang yang mempunyai bentuk kurva yang sama dengan

kurva fungsi sin θ terhadap θ. Jika kita lihat gambar 2.9, kurva merah

menandakan sebuah gelombang sinusoidal berjalan pada t = 0 dan kurva biru


12


menandakan gelombang sinusoidal tersebut berjalan setelah t detik, maka

fungsi yang menggambarkan posisi dari partikel medium dimana gelombang

sinusoidal berjalan dapat ditulis

� � �� (2.4)

dimana A adalah amplitude, λ adalah panjang gelombang. Jika gelombang

bergerak kea rah kanan dengan kecepatan v, maka fungsi gelombang setelah t

detik adalah

� � �� (2.5)

dimana

� � �� (2.6)

maka persamaan menjadi,

� � �� 2� ��

�� (2.7)

Selain persamaan di atas, kita juga dapat menulis fungsi gelombang dengan

mendefinisikan angular wave number k dan angular frequency ω:

� � �� (2.8)

� � �� (2.9)

Maka,

� � �� (2.10)

� � �� (2.11)

Terdapat juga gelombang dengan bentuk non-sinusoidal. Yaitu gelombang

triangle dan square.

Gambar 2.10 Gelombang square dan triangle

(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Triangle_wave)


13


Kedua gelombang ini sebenarnya merupakan penurunan dari gelombang

sinusoidal dengan nilai harmonic tertentu. Apabila dijabarkan gelombang

triangle dapat dijabarkan dengan persamaan fourier dengan formula sebagai

berikut :

Gambar 2.11 Transformasi gelombang sinus menjadi triangle

(Sumber: http://mathworld.wolfram.com/FourierSeriesTriangleWave.html)

Fungsi gelombang triangle dinyatakan dengan deret Fourier yaitu:

( )( ){ }( )0 22

0,1,2,......

sin 2 1 281

2 1

A

A

A ftV V

A

π

π

∞

=

+ = + −

+ ∑

(2.12)

Sedangkan gelombang square dapat dijabarkan sebagai berikut :

Gambar 2.12 Transformasi gelombang sinus menjadi square

(Sumber: http://mathworld.wolfram.com/FourierSeriesTriangleWave.html)


14


Fungsi gelombang square dinyatakan dengan deret Fourier yaitu:

(2.13)

2.3 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor adalah suatu bidang ilmu yang menganalisa

perpindahan energi akibat terjadinya gradien suhu pada benda atau suatu

material. Energi yang berpindah tersebut disebut kalor atau panas dan secara

umum perpindahan kalor dibagi menjadi tiga, yaitu konduksi, konveksi, dan

radiasi.

2.3.1 Perpindahan kalor konduksi

Perpindahan kalor konduksi merupakan perpindahan panas dari

temperatur tinggi ke temperatur rendah dimana perpindahan kalor

tersebut terjadi secara hantaran melalui benda padat dan laju

perpindahan kalor berbanding dengan gradient suhu normal:

�� ~"�

"� (2.14)

Dengan memasukkan konstanta proporsionalitas atau tetapan

kesebandingan:

# � �� "�"� (2.15)

di mana q merupakan laju perpindahan kalor dan $T/$x merupakan

gradient suhu dari perpindahan kalor. Konstanta positif k merupakan

konduktivitas atau kehantaran termal benda, sementara tanda minus

menandakan pemenuhan hukum kedua termodinamika dimana hukum

kedua termodinamika menyebutkan bahwa kalor mengalir ke tempat

yang lebih rendah dalam skala temperatur. Persamaan di atas merupakan

persamaan dasar dari konduktivitas termal dan satuan k adalah Watt per

meter per derajat Celcius.


15


2.3.2 Perpindahan kalor konveksi

Perpindahan kalor konveksi merupakan perpindahan kalor yang

terjadi pada permukaan suatu benda (tidak padat) dengan suatu fluida

dikarenakan adanya pergerakan dari partikel-partikel fluida pada dua

temperature yang berbeda. Mekanisme perpindahan kalor konveksi

terdiri atas dua yaitu difusi dan gerakan fluida. Gerakan fluida

ditimbulkan karena adanya perbedaan temperatur pada fluida sehingga

terjadi proses perpindahan kalor. Proses perpindahan kalor konveksi

dapat digambarkan seperti pada gambar 2.10 di bawah ini.

Gambar 2.13 Skematik perpindahan kalor konveksi

(Sumber: JP.Holman, p.11)

Gambar 2.13 menggambarkan interaksi permukaan suatu dinding

dengan medan aliran fluida dimana medan aliran fluida mewakili aliran

fluida sepanjang permukaan panas. Interaksi antara permukaan dinding

dengan fluida akan menghasilkan medan kecepatan yang bervariasi,

dimulai dari nol pada daerah dekat permukaan sampai dengan kecepatan

maksimum pada aliran. Jika pada permukaan dinding dengan aliran

fluida ini memiliki perbedaan temperatur maka akan membentuk suatu

daerah batas termal yang besarnya bervariasi (terdapat distribusi

temperature) dari Tw sampai dengan T∞. Jika besar Tw > T∞ maka

konveksi akan terjadi.

Perpindahan kalor konveksi secara umum dapat diklasifikasikan ke

dalam dua bagian yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi


16


bebas adalah jenis konveksi yang fenomena perpindahan kalornya

terjadi akibat adanya perbedaan densitas yang disebabkan perubahan

temperatur pada fluida, sedangkan konveksi paksa merupakan suatu

fenomena perpindahan kalor konveksi yang dipengaruhi oleh adanya

gaya eksternal terhadap aliran, misalnya karena adanya pengaruh aliran

paksa dari fan dan pompa.

2.3.3 Perpindahan kalor radiasi

Mekanisme perpindahan kalor tanpa melalui medium antara disebut

radiasi. Radiasi merupakan perpindahan kalor melalui daerah hampa

dimana konduksi dan konveksi melakukan perpindahan kalor melalui

suatu medium. Dalam termodinamika ditunjukkan bahwa setiap benda

hitam memiliki pancaran energi dengan laju sebanding dengan pangkat

empat suhu absolut benda tersebut dan berbanding langsung dengan luas

permukaan. Persamaan radiasi dapat dinyatakan sebagai berikut:

qpancaran = σAT4 (2.16)

di mana σ merupakan konstanta proporsionalitas atau konstanta Stefan –

Boltzmann dengan nilai 5,669 x 10-8 W/m

2.K

4. Persamaan tersebut

berlaku hanya untuk radiasi termal saja.

2.4 Aliran Fluida

Aliran fluida dibedakan menjadi tiga macam yaitu laminar, transisi, dan

turbulen.

2.4.1 Aliran Laminar

Aliran fluida yang mengalir dengan lancar pada setiap lapisan disebut

aliran laminar. Viskositas yang terjadi di dalam aliran menyebabkan efek

peredaman gerakan antar lapisan fluida dengan dinding. Aliran laminar

ini dapat digambarkan pada gambar 2.14.


17


Gambar 2.14 Aliran Laminar

(Sumber: http://www.ceb.cam.ac.uk/pages/hydrodynamic-

voltammetry.html)

2.4.2 Aliran Transisi

Aliran transisi adalah aliran antara dua fase yaitu fase laminar dan fase

turbulen dimana aliran laminar mengalami transisi ke aliran turbulen.

Aliran ini ditandai dengan adanya fase laminar dan turbulen yang terjadi

secara bergantian.

2.4.3 Aliran Turbulen

Aliran turbulen merupakan aliran acak pada suatu partikel atau fluida

pada suatu lapisan dimana partikel atau fluida tersebut mengalami

olakan sehingga terjadi pertukaran momentum antar lapisan dengan

intensitas tinggi.

Gambar 2.15 Aliran Turbulen

(Sumber: http://www.ceb.cam.ac.uk/pages/hydrodynamic-voltammetry.html)

Dalam membedakan antara jenis aliran laminar, transisi, dan turbulen maka

dapat ditentukan dengan bilangan Reynolds (sesuai dengan nama penemunya).

Bilangan Reynolds merupakan perbandingan antara efek inersia dan viskos

dalam aliran. Bilangan Reynolds dinyatakan dengan:


18


%& � '()* (2.17)

dimana,

ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

V = kecepatan rata-rata dari fluida yang mengalir (m/s)

D = diameter pipa (m)

µ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

Secara umum untuk aliran di dalam pipa bundar, jika besar bilangan Reynolds

kurang dari 2100 maka aliran laminar dan jika lebih dari 4000 maka aliran

turbulen. Nilai di antara keduanya merupakan aliran transisi.

2.5 CFD Fluent

Dalam kehidupan sehari-hari banyak fenomena yang terjadi seperti

contohnya fenomena fluida baik dalam bentuk gas maupun cair. Fenomena-

fenomena fluida tersebut bisa terjadi dalam bentuk sederhana maupun dalam

bentuk kompleks. Dalam mempelajari fenomena fluida yang kompleks

tersebut dibutuhkan sebuah tools yang dapat memprediksi dan menganalisa

aliran fluida yang terjadi pada suatu benda. Salah satu tools yang dapat

digunakan untuk mempermudah dalam mempelajari fenomena fluida tersebut

adalah software CFD Fluent. Software CFD Fluent ini dikembangkan agar

dapat memenuhi kebutuhan akan ilmu yang dinamakan Computational Fluid

Dynamics atau CFD. Ilmu CFD dapat diartikan sebagai ilmu yang

mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia

dan fenomena-fenomena lain dengan menyelesaikan persamaan Matematika.

Prediksi aliran fluida dengan CFD berdasarkan tiga hal yaitu model

Matematika (Navier-Stokes), metode numerik, dan tools (Pre- dan

postprocessing, Solvers).

2.5.1 Gambit

Gambit (Geometry And Mesh Building Intelligent Toolkit) adalah alat

preprocessor yang dibuat untuk membantu menciptakan model dan


19


diskritisasi (meshing) yang selanjutnya dianalisis menggunakan program CFD.

Penggunaan Gambit untuk pemodelan dan analisis CFD secara garis besar

digambarkan oleh gambar 2.11.

Gambar 2.16 Skematik proses kerja step by step Gambit – CFD

2.5.2 Fluent

Fluent merupakan suatu program yang digunakan untuk mensimulasikan

perpindahan kalor dan aliran fluida dengan berbagai bentuk geometri.

Program fluent menyelesaikan permasalahan aliran fluida dengan

menggunakan mesh, dimana mesh yang didukung oleh fluent adalah 2D

triangular-quadrilateral, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan

mesh campuran. Langkah-langkah penyelesaian masalah menggunakan fluent

adalah sebagai berikut:

1. Membuat geometri dan mesh pada model

2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut(2D atau 3D)

3. Mengimpor mesh model

4. Melakukan pemeriksaan pada mesh model

5. Memilih formulasi solver

6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis. Misalnya:

laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor, dan lain-lain

7. Menentukan sifat material yang akan dipakai

8. Menentukan kondisi batas

9. Mengatur parameter kontrol solusi

10. Initialize the flow field

11. Melakukan perhitungan/iterasi

12. Memeriksa hasil iterasi

13. Menyimpan hasil iterasi

Gambit Meshing:

- Edge

- Face

- Volume

Pendefinisian

kondisi batas

(atau kontinum)

Pemodelan Geometri:

- Vertex

- Edge

- Face

- Volume

CFD


20


14. Jika perlu, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang untuk

mendapatkan hasil yang lebih baik

15. Hasil iterasi dapat ditampilkan baik dalam bentuk kontur, vektor,

pathline, maupun trek partikel

Dalam melakukan simulasi model dengan menggunakan fluent, maka

dibutuhkan solver untuk menyelesaikan simulasi tersebut dengan memilih

formula solver yang tersedia di dalam fluent. Salah satu solver tersebut adalah

model turbulensi k-ω SST. Model turbulensi k-ω SST adalah dua persamaan

model eddy-viskositas yang menjadi sangat populer. Model ini menggunakan

model 2D Double Precision. Penggunaan formula k-ω di bagian dalam lapisan

batas membuat model secara langsung dapat digunakan sepanjang dinding

sub-lapisan viskos, maka model turbulensi k-ω SST dapat digunakan sebagai

model turbulensi dengan Reynold rendah tanpa fungsi redaman tambahan.

Model k-ω SST mirip dengan model k-ω standar, tetapi juga meliputi

perbaikan sebagai berikut:

1. Model k-ω standard dan model transform k-ω, keduanya dikalikan

dengan blending function dan kedua model ditambahkan bersama-

sama. Blending Function dirancang menjadi satu di dekat daerah

dinding, dimana mengaktifkan model k-ω standar, dan nol dari

permukaan, dimana mengaktifkan model transform k-ω.

2. Model SST menggabungkan derivatif cross-diffusion ke dalam

persamaan ω.

3. Definisi viskositas turbulen dimodifikasi untuk memperhitungkan

transportasi dari turbulent shear stress.

4. Konstanta permodelan berbeda.

Model k-ω SST memiliki bentuk mirip dengan model k-ω standar seperti

dinyatakan dalam persamaan 2.16 dan 2.17

( ) ( )~

ki k k

i j j

kk ku k G Y S

t x x xρ ρ

∂ ∂ ∂ ∂+ = Γ + − + ∂ ∂ ∂ ∂

(2.18)


21


( )( ) ii j j

u G Y D St x x x

ω

ωρω ρω ω ω ω ω

∂ ∂ ∂ ∂+ = Γ + − + + ∂ ∂ ∂ ∂

(2.19)

Dimana

Selain solver k-ω SST, jika ingin menyelesaikan permasalahan yang lebih

kompleks dan detail, maka diperlukan formula solver yang dibuat sendiri.

Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan software fluent dimana formula

solver dapat dimasukkan dalam bentuk bahasa pemograman C yang disebut

User Define Function(UDF). Langkah-langkah dalam pembuatan User Define

Function adalah sebagai berikut:

1. Menentukan permasalahan yang ingin diselesaikan

2. Membuat formula solver dalam bentuk bahasa pemograman

3. Menjalankan Fluent dan membaca case file yang telah dibuat.

4. Menginterpret atau mengcompile formula solver yang dibuat pada step

2

5. Memasukkan UDF yang telah dibuat ke dalam Fluent

6. Menjalankan kalkulasi

7. Menganalisa solusi numerik dan membandingkan hasil yang diperoleh

dengan hasil yang diperkirakan


22


BAB 3

EXPERIMENTAL SET-UP

3.1 Diagram Alir Penelitian

Pada penelitian ini, jalannya eksperimen dapat dijabarkan melalui gambar 3.1

di bawah ini

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian


23


3.2 Modul Jet Sintetik

Pada penelitian ini terdapat 4 prototype jet sintetik untuk melakukan

percobaan. Dimana diharapkan rancangan prototype jet sintetik tersebut

mampu untuk menghasilkan aliran jet sintetik yang memiliki heat transfer

coefficient yang baik. Desain yang akan digunakan merupakan desain orisinal

hasil penelusuran pustaka serta analisa terhadap sifat aliran fluida udara.

Desain jet sintetik yang dipergunakan ditunjukkan dalam gambar 3.2.

Gambar 3.2 Model fisik synthetic jet. (Dari kiri ke kanan : Prototype 1, Prototype 2, Prototype 3,

Prototype 4)

Desain cavity jet sintetik digambarkan dalam cross-section pada gambar 3.3.

Gambar 3.3(a) Prototype 1. Gambar 3.3(b) Prototype 2. Gambar 3.3(c)

Prototype 3. Gambar 3.3(d) Prototype 4.


24


(a)

(b)


25


(c)

(d)

Gambar 3.3 Synthetic jet cross section (dimensi dalam cm) (a) Prototype 1 (b) Prototype 2 (c)

Prototype 3 (d) Prototype 4

3.3 Tahap Komputasional

Tahap komputasional pada penelitian ini dilakukan agar mendapatkan

gambaran aliran dan pola bidang termal pada aliran impinging jet sintetik. Hal

ini dilakukan dengan menggunakan software Computational Fluid Dynamics

(CFD). Model komputasional ini di desain terlebih dahulu sebelumnya dan

kemudian dilakukan meshing dengan menggunakan software Gambit. Model

computational domain yang dipergunakan ialah cross section jet sintetik saat


26


dipasangkan pada heatsink (kondisi operasional). Dimana computational

domain untuk semua prototype digambarkan seperti pada gambar 3.4.

(a)

(b)

(c)


27


(d)

Gambar 3.4 Synthetic jet computational domain (a) Prototype 1 (b) Prototype 2 (c) Prototype 3 (d)

Prototype 4

Model komputasi ini digunakan untuk menganalisis daerah aliran termal

pada jet sintetik dengan menggunakan model matematika k-ω SST (Shear

Stress Transport). Pada daerah kerja, udara diasumsikan isothermal dan juga

incompressible. Suhu lingkungan diasumsikan 27 oC dan suhu bagian bawah

dari dinding yang dipanaskan, dipertahankan pada suhu isothermal 60 oC.

Dinding batas di kedua sisi actuator diasumsikan memiliki tekanan statik

konstan dengan tekanan 1 atm. Detail lain dari kondisi komputasi dituliskan

pada tabel di bawah ini.

Tabel Kondisi komputasi

Setelah itu, gerakan diafragma dimodelkan dengan user defined function

(UDF). Pada permodelan ini akan terlihat beberapa daerah aliran turbulen,

sementara aliran lain tetap pada kondisi laminar yang diindikasikan dengan


28


nilai Reynolds yang rendah. Parameter yang digunakan pada simulasi ini

adalah pengaturan model, sifat fluida dan nilai kondisi batas.

Pada saat awal (t = 0), posisi diafragma berada pada bagian bawah cavity.

Gerakan diafragma diasumsikan sama dengan gerakan piston di dalam sebuah

silinder, dimana diekspresikan sebagai fungsi gelombang di bawah ini :

Sinusoidal :

(3.1)

Persamaan 3.1, disubstitusikan dengan nilai amplitude, A = 1 m/s dan nilai

keceparan awal V0 = 0 m/s. Maka didapat persamaan 3.2.

(3.2)

Triangle :

(3.3)



(3.4)

Square :

(3.5)



(3.6)

dimana A merupakan kecepatan maksimum yang terbentuk akibat gerakan

diafragma di dalam cavity dan t adalah waktu eksperimen.


29


3.4 Tahap Eksperimen

Tahap eksperimen ini dilakukan untuk mendapatkan data temperatur

sebuah heatsink yang didinginkan menggunakan jet sintetik. Sistem

eksperimen yang dibuat pada penelitian ini dapat dijabarkan pada gambar 3.2

Gambar 3.5 Experimental Setup

3.4.1 Komponen dan peralatan tambahan

Komponen yang digunakan pada sistem eksperimen tersebut ialah sebagai

berikut:

1. Thermostat

Thermostat merupakan alat yang digunakan sebagai pengatur suhu

pada heater mat. Suhu yang diset pada heater mat ini adalah 60 oC.

Dengan fitur PID diaktifkan untuk menjaga temperature tetap stabil.

Gambar 3.6 Thermostat


30


2. Heater Mat

Heater mat merupakan alat yang digunakan sebagai sumber panas

yang ditempatkan di bawah heatsink.

Gambar 3.7 Heater Mat

3. Jet Sintetik

Jet sintetik merupakan alat pendingin pada penelitian ini yang telah di

desain sebelumnya yang digunakan untuk mendinginkan heatsink. Jet

sintetik ini dibuat dengan menggunakan bahan nilon karena bahan ini

mudah dibentuk dan juga mempunyai sifat insulator yang baik. Pada

jet sintetik ini memakai 2 membran piezoelektrik yang dipasang di atas

dan bawah cavity.

Gambar 3.8 Jet Sintetik tampak atas dan tampak bawah


31


4. Data Logger

Temperature data logger dengan 8 channel input dipergunakan untuk

mengukur suhu pada 8 titik di heatsink dimana 4 thermocouple

diletakkan setiap 90o dari bagian atas heatsink dan 4 sisanya diletakkan

pada bagian samping heatsink setiap 90o juga.

Gambar 3.9 Temperature data logger

5. Heat sink

Heat sink merupakan benda yang digunakan sebagai sumber

pengukuran temperatur. Heat sink yang digunakan pada eksperimen ini

mempunyai bentuk lingkaran dengan 32 fin, dengan diameter 11 cm

dan tinggi 5 cm. Bahan yang digunakan untuk membuat heat sink ini

adalah aluminium.


32


Gambar 3.10 Heat sink

6. Sweep Function Generator

Alat ini digunakan untuk mengatur bentuk gelombang yang digunakan

dan juga mengatur variasi frekuensi gelombang. Pada penelitian ini

digunakan gelombang sinusoidal dengan variasi frekuensi

gelombangnya 80Hz, 120 Hz dan 160 Hz.

Gambar 3.11 Function Generator

7. Komputer

Komputer digunakan sebagai penyimpan data temperatur heatsink

yang dibaca menggunakan data logger, dimana digital multimeter ini

dihubungkan dengan komputer sebelumnya.


33


Gambar 3.12 Komputer

Peralatan tambahan pada eksperimen ini meliputi:

1. Thermocouple

Merupakan komponen untuk mengukur temperatur di suatu titik pada

system

Gambar 3.13 Thermocouple

2. Termo-Hygrometer

Alat ini digunakan untuk mengukur suhu dan kelembapan lingkungan.


34


Gambar 3.14 Thermo-Hygrometer

3.4.2 Prosedur pengambilan data

Pengambilan data dilakukan dengan mengukur suhu pada heat sink pada 8

titik dengan menggunakan temperature data logger dengan akurasi

pengukuran ± 0.05 oC.

Gambar 3.15 Skema peletakan thermocouple pada heatsink

Sebelum dilakukan eksperimen, dilakukan pengaturan suhu pada

heat sink. Sumber panas pada heat sink didapatkan dengan menempatkan

heater mat pada bagian bawah heat sink dengan suhu 60 oC yang diatur


35


menggunakan thermostat dan pengukuran dilakukan pada suhu lingkungan

27oC. Fitur PID (proporsional band, integral time dan derivative time)

pada thermostat diaktifkan untuk mencegah terjadi overshoot yang terlalu

besar pada suhu heatsink.

Kemudian dilakukan pengaturan bentuk gelombang sinusoidal,

triangle dan square yang dipakai pada eksperimen ini. Serta dilakukan

pengaturan frekuensi gelombang dengan variasi gelombang 80 Hz, 120 Hz

dan 160 Hz menggunakan function generator. Sebelumnya heatsink

terlebih dahulu didiamkan saat pertama kali heater dinyalakan untuk

memberi waktu agak dapat mencapai temperature maksimal sebelum

dilakukan pendinginan. Pengambilan data pada eksperimen ini dilakukan

selama 1 jam dengan interval data per 1 menit.


36


BAB 4

ANALISA DATA

4.1 Analisa Data Komputasional

Simulasi aliran dilakukan untuk mendapatkan gambaran perubahan medan

aliran (kecepatan, turbulent intensity) akibat efek tiupan dari jet sintetik.

Pendekatan simulasi dilakukan guna menjelaskan karekteristik laju perubahan

aliran jet sintetik pada fase-fase gelombang tertentu. Pada tahap

komputasional, analisa akan dilakukan terhadap evolusi aliran yang terjadi

pada tiap-tiap prototype, jenis sinyal dan frekuensi. Profil kecepatan pada jet

sintetik ditentukan dengan mensubstitusikan nilai frekuensi 80 Hz, 120 Hz

dan 160 Hz ke dalam persamaan 3.1, 3.2 dan 3.3. Model UDF untuk sintetik

jet tersebut dibuat dalam bahasa pemograman C. Simulasi dilakukan dengan

melihat kondisi aliran pada satu panjang gelombang saat amplitude berada di

puncak, tengah, lembah dan ujung gelombang seperti ditunjukkan dalam

gambar 4.1.

Gambar 4.1 Skema pergerakan synthetic jet

4.1.1 Evolusi aliran pada prototype 1

Prototype 1 didesain dengan dimensi yang paling besar di antara prototype

lainnya. Dengan adanya pengecilan diameter pada bagian tengah diharapkan


37


agar fluida yang tertiup dari membrane bagian bawah tertekan dengan

kecepatan yang tinggi sehingga kecepatannya dapat berakumulasi dengan

membrane atas dan menghasilkan aliran dengan kecepatan yang cukup tinggi

untuk melakukan pendinginan. Proses evolusi aliran dari tiap frekuensi dan

jenis gelombang digambarkan dalam kontur intensitas turbulensi (%) pada

gambar 4.2. Gambar 4.2(a) menunjukkan kontur intensitas turbulensi (%)

dengan gelombang sinusoidal. Gambar 4.2(b) menunjukkan kontur intensitas

turbulensi (%) dengan gelombang triangle. Gambar 4.2(c) menunjukkan

kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang square.

(a)


38


(b)


39


(c)

Gambar 4.2 Intensitas turbulensi (%) pada prototype 1. (a) kontur intensitas turbulensi (%)

dengan gelombang sinusoidal. (b) kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang

triangle. (c) kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang square.

Sedangkan dari segi nilai konduktivitas udara yang terjadi akibat dari gerakan

udara yang turbulen digambarkan dalam kontur konduktivitas thermal

(W/mK) pada gambar 4.3. Gambar 4.3(a) menunjukkan kontur konduktivitas

thermal (W/mK) dengan gelombang sinusoidal. Gambar 4.3(b) menunjukkan

kontur konduktivitas thermal (W/mK) dengan gelombang triangle. Gambar

4.3(c) menunjukkan kontur konduktivitas thermal (W/mK) dengan gelombang

square.


40


(a)


41


(b)


42


(c)

Gambar 4.3 Konduktivitas thermal udara (W/mK) pada prototype 1. (a) kontur konduktivitas

thermal (W/mK) dengan gelombang sinusoidal. (b) kontur konduktivitas thermal (W/mK)

dengan gelombang triangle. (c) kontur konduktivitas thermal (W/mK) dengan gelombang

square.

Sedangkan dari segi nilai temperature pada tiap fase gelombang digambarkan

dalam kontur temperature (oC) pada gambar 4.4. Gambar 4.4(a) menunjukkan

kontur temperature (oC) dengan gelombang sinusoidal. Gambar 4.4(b)

menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang triangle. Gambar

4.4(c) menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang square.


43


(a)


44


(b)


45


(c)

Gambar 4.4 Nilai temperature (oC) pada prototype 1. (a) kontur temperatur (oC) dengan

gelombang sinusoidal. (b) kontur temperatur (oC) dengan gelombang triangle. (c) kontur

temperatur (oC) dengan gelombang square.

Dari ketiga aspek antara intensitas turbulensi dan thermal conductivity, terlihat

bahwa nilai square 80 Hz lah yang memberikan nilai tertinggi. Sedangkan

pada aspek temperature terlihat bahwa nilai square 80 Hz memberikan nilai

penurunan temperature yang paling tinggi. Pada kontur intensitas turbulensi

terlihat bahwa pada bagian lembah gelombang daerah terjadinya turbulensi

lebih besar dibandingkan dengan yang terjadi pada puncak gelombang.

Sedangkan dari segi konduktivitas thermal terlihat kecenderungan bahwa nilai

konduktivitas thermal berfluktuatif dari mulai puncak hingga ke ujung


46


gelombang. Terlihat bahwa nilai konduktivitas thermal pada fase ½ dan 1

gelombang memiliki nilai yang paling besar, walaupun pada saat memasuki

fase ¼ dan ¾ nilai tersebut berkurang.

Kemudian dari segi temperatur terlihat bahwa pada seluruh sinyal nilai

temperature di sekitar domain makin lama makin berkurang dari mulai puncak

hingga ujung gelombang.


Prototype 2 didesain dengan bentuk yang serupa dengan prototype 1 hanya

saja memiliki dimensi yang lebih kecil. Bentuk cavity serupa dengan

prototype 1. Prinsip kerja pun sama yaitu pengecilan diameter pada bagian

tengah guna mengakumulasikan kecepatan fluida dengan membrane atas dan

menghasilkan aliran dengan kecepatan yang cukup tinggi untuk melakukan

pendinginan. Proses evolusi aliran dari tiap frekuensi dan jenis gelombang

digambarkan dalam kontur intensitas turbulensi (%) pada gambar 4.5. Gambar

4.5(a) menunjukkan kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang

sinusoidal. Gambar 4.5(b) menunjukkan kontur intensitas turbulensi (%)

dengan gelombang triangle. Gambar 4.5(c) menunjukkan kontur intensitas

turbulensi (%) dengan gelombang square.


47


(a)


48


(b)


49


(c)










square.


50


(a)


51


(b)


52


(c)




square.


dalam kontur temperature (oC) pada gambar 4.7. Gambar 4.7(a) menunjukkan

kontur temperature (oC) dengan gelombang sinusoidal. Gambar 4.7(b)

menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang triangle. Gambar

4.7(c) menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang square.


53


(a)


54


(b)


55


(c)




Sama halnya seperti pada prototype 1, terlihat bahwa jenis gelombang square

pada frekuensi 80 Hz nilai intensitas turbulensi, konduktivitas thermal dan

penurunan temperatur yang paling tinggi. Tetapi berbeda dengan prototype 1,

pada prototype 2 ini terlihat bahwa pada fase suction (daerah lembah

gelombang) nilai intensitas turbulensi lebih besar dari pada fase discharge

(daerah puncak gelombang) dengan konsentrasi terbesar pada bagian dalam

cavity jet sintetik.


56



Prototype 3 didesain dengan dimensi paling kecil di antara semua prototype.

Prototype ini didesain dengan ukuran cavity yang amat kecil guna

meminimalkan terjadinya kehilangan energy pada fluida akibat gesekan

dengan permukaan cavity. Dengan memperkecil jarak antara membrane atas

dan bawah ± 3 mm diharapkan fluida yang didorong oleh kedua membrane

tersebut akan berakumulasi di tengah dan langsung keluar melalui nozzle.

Proses evolusi aliran dari tiap frekuensi dan jenis gelombang digambarkan

dalam kontur intensitas turbulensi (%) pada gambar 4.8. Gambar 4.8(a)

menunjukkan kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang sinusoidal.

Gambar 4.8(b) menunjukkan kontur intensitas turbulensi (%) dengan

gelombang triangle. Gambar 4.8(c) menunjukkan kontur intensitas turbulensi

(%) dengan gelombang square.


57


(a)


58


(b)


59


(c)










square.


60


(a)


61


(b)


62


(c)




square.


dalam kontur temperature (oC) pada gambar 4.10. Gambar 4.10(a)

menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang sinusoidal. Gambar

4.10(b) menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang triangle.

Gambar 4.10(c) menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang

square.


63


(a)


64


(b)


65


(c)




Sama halnya seperti pada prototype sebelumnya, dari kontur intensitas

turbulensi, konduktivitas thermal dan penurunan temperatur terlihat bahwa

jenis gelombang square dengan frekuensi 80 Hz yang dapat menghasilkan

nilai tertinggi. Pada prototype ini nilai intensitas turbulensi memiliki

karakteristik yang sama seperti halnya pada prototype 2 dimana nilai pada fase

suction lebih besar dan terkonsentrasi pada bagian dalam cavity.

Pada nilai konduktivitas thermal terlihat bahwa pada fase ½ dan 1 gelombang

terlihat bahwa nilainya lebih besar dari saat fase ¼ dan ¾ gelombang. Hanya


66


saja pada fase ½ gelombang nilai tersebut terkonsetrasi pada bagian dalam

cavity dari prototype.


Prototype 4 didesain mengacu kepada prototype 3, hanya saja di dalam cavity

diberi sudut dan sedikit cekungan. Hal ini ditujukan untuk mengarahkan aliran

fluida agar langsung mengalir menuju nozzle. Proses evolusi aliran dari tiap

frekuensi dan jenis gelombang digambarkan dalam kontur intensitas turbulensi

(%) pada gambar 4.11. Gambar 4.11(a) menunjukkan kontur intensitas

turbulensi (%) dengan gelombang sinusoidal. Gambar 4.11(b) menunjukkan

kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang triangle. Gambar 4.11(c)

menunjukkan kontur intensitas turbulensi (%) dengan gelombang square.


67


(a)

(b)


68


(c)






(W/mK) pada gambar 4.12. Gambar 4.12(a) menunjukkan kontur

konduktivitas thermal (W/mK) dengan gelombang sinusoidal. Gambar 4.12(b)

menunjukkan kontur konduktivitas thermal (W/mK) dengan gelombang

triangle. Gambar 4.12(c) menunjukkan kontur konduktivitas thermal (W/mK)

dengan gelombang square.


69


(a)


70


(b)


71


(c)




square.


dalam kontur temperature (oC) pada gambar 4.13. Gambar 4.13(a)

menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang sinusoidal. Gambar

4.13(b) menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang triangle.

Gambar 4.13(c) menunjukkan kontur temperature (oC) dengan gelombang

square.


72


(a)


73


(b)


74


(c)




Sama halnya seperti pada prototype sebelumnya, terlihat bahwa pada jenis

gelombang square 80 Hz dapat menghasilkan nilai intensitas turbulensi,

konduktivitas thermal serta penurunan temperature tertinggi. Sama seperti

prototype 3 nilai intensitas turbulensi pada saat suction lebih besar hanya saja

terakumulasi pada bagian dalam cavity. Sama halnya dengan konduktivitas

thermal dimana nilai terbesar terjadi pada fase ½ dan 1 gelombang dimana

pada fase ½ gelombang nilai tersebut terkonsentrasi pada bagian dalam cavity.


75


4.2 Analisa Data Eksperimental

Tahap eksperimental dilakukan untuk menganalisa efek pendinginan pada

heat sink menggunakan prototype jet sintetik dengan gelombang sinusoidal,

triangle dan square pada frekuensi 80 Hz, 120 Hz dan 160 Hz. Analisa efek

pendinginan pada heat sink ini direpresentasikan pada sebuah grafik

perubahan heat transfer coefficient terhadap waktu. Pada tahap ini,

pengambilan data dilakukan selama 120 menit pada tiap kondisi. Untuk

mencari nilai heat transfer coefficient digunakan nilai kalor (Q) dari heater

yaitu 50 watt, nilai luasan dari heatsink (A) yaitu 0.081843 m2, dan nilai

temperature ambient (Tamb) yakni 27 oC.

Dimana daerah peletakan thermocouple sebagai rincian pengambilan data

digambarkan pada gambar 4.10.

Gambar 4.14 Ilustrasi peletakan thermocouple pada heatsink

Sehingga kondisi pengukuran bila memperhitungkan resistansi thermal

dari heatsink dapat diilustrasikan pada gambar 4.11.

Gambar 4.15 Ilustrasi resistansi thermal yang terjadi pada pengukuran


76


Dalam menghitung data heat transfer coefficient perlu diperhitungkan

mengenai area luasan dari heatsink yang mengalami pendinginan dari efek jet

sintetik dan daerah yang mengalami pendinginan oleh udara ambient.

Hubungan tersebut dapat dijabarkan dengan persamaan 4.1.

Qin heatsink = Qout jet sintetik + Qout udara (4.1)

Dimana untuk mencari Qout udara perlu diketahui nilai heat transfer

coefficient oleh udara yang ada di sekitar heatsink. Untuk itu perlu dilakukan

perngukuran terhadap heatsink tanpa adanya pengaruh dari jet sintetik.

Hubungan tersebut dapat dijabarkan dengan persamaan 4.2.

Qin heatsink = Qout udara (4.2)

Dengan nilai Qin heatsink diketahui sebesar 50 watt, maka persamaan 4.2 dapat

dijabarkan menjadi persamaan 4.3.

50 = hudara*Adengan udara*∆T (4.3)

Luas total area heatsink 0.081843 m2, dengan mengurangi area luasan bagian

bawah yang kontak langsung dengan heater yaitu 0.009503 m2 maka didapat

area luasan yang kontak langsung dengan udara ambient 0.07234 m2. Dengan

nilai Theatsink setelah stabil yaitu 56oC. Maka dengan memasukan nilai tersebut

maka hudara dapat dicari dengan mensubstitusikan ke persamaan 4.3.

hudara = 50/(Adengan udara*∆T)

hudara = 50/(0.07234*(56-27)) => hudara = 23.8 W/m2K

Dari hasil tersebut maka nilai hjet synthetic dapat dicari dengan menjabarkan

persamaan 4.1 menjadi persamaan 4.4.

50 = hudara*Adengan udara*∆T + hjet sintetik*Adengan jet sintetik*∆T (4.4)

Untuk kondisi dengan jet sintetik terpasang maka nilai luasan yang

dipengaruhi udara pun berkurang.

Area pendinginan oleh udara bagian samping, 139.18 cm2


77


Area pendinginan oleh udara bagian atas, 43.76 cm2

Total area pendinginan oleh udara, 139.18 + 43.76 = 182.94 cm2

Maka area yang terkena aliran udara synjet, 818.43 - 95.03 - 182.94 = 540.46

cm2

Persamaan 4.4 tersebut kemudian di subtitusikan dengan dengan parameter

yang telah ada.

50 = 23.8*( 0.018294)*(dt-27) + hjet sintetik*(0.054046)*(dt-27)

Maka,

hjet sintetik = ((50/(dt-27))-0.44)/0.054046

4.2.1 Analisa Koefisien Perpindahan Panas Konveksi terhadap Waktu pada

Prototype 1

Nilai dari koefisien perpindahan kalor konveksi pada prototype 1 dapat di plot

dalam bentuk grafik seperti yang terlihat pada gambar 4.16 dimana terlihat

grafik koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap waktu.

Gambar 4.16 Koefisien perpindahan panas konveksi prototype 1 terhadap waktu


78


Pada gambar 4.16 di atas, terlihat heat transfer coefficient yang paling tinggi

diraih prototype 1 yang diaplikasikan dengan sinyal sinusoidal dengan eksitasi

80 Hz. Sinusoidal 80 Hz memberikan nilai heat transfer coefficient yang terus

meningkat sepanjang 10 menit sejak prototype dinyalakan kemudian terus

turun hingga 40 menit lalu bergerak secara linier. Sedangkan untuk performa

heat transfer coefficient terendah ialah pada triangle 120 Hz.


Prototype 2






diraih prototype 2 yang diaplikasikan dengan sinyal triangle dengan eksitasi

120 Hz. Dimana nilai heat transfer akan naik sekitar 10 menit setelah

dinyalakan kemudian akan bergerak secara linier.


79



Prototype 3






diraih prototype 3 yang diaplikasikan dengan sinyal square dan sinusoidal

dengan eksitasi 80 Hz. Dimana sinyal sinusoidal akan terus naik sedikit

melebihi dari sinyal square.


Prototype 4





80




diraih apabila prototype 4 diaplikasikan dengan sinyal sinusoidal dengan

eksitasi 80 Hz. Setelah hampir melalui 10 menit pertama maka nilainya akan

turun dan bergerak linier setelah 20 menit.

4.3 Perbandingan data komputasional dan eksperimental

Terlihat bahwa masing masing prototype memiliki karakteristiknya

sendiri. Tetapi sebagain besar prototype dapat menyentuh nilai heat transfer

coefficient tertinggi pada sinyal dengan eksitasi 80 Hz. Pada gambar 4.20

terlihat perbandingkan seluruh prototype dengan eksitasi sinyal 80 Hz.


81


Gambar 4.20 Koefisien perpindahan panas konveksi seluruh prototytpe pada eksitasi 80 Hz

Dari gambar terlihat bahwa prototype 3 dengan gelombang sinusoidal dan

square lah yang mampu mencapai nilai tertinggi yaitu sekitar 25 W/m2K dan

nilai tersebut cenderung bergerak linier setelah mencapai waktu 30 menit

setelah prototype dinyalakan. Dengan mengikutsertakan eksitasi 120 dan 160

Hz seperti digambarkan pada gambar 4.21 dan 4.22.


82




Dari seluruh eksitasi sinyal terlihat bahwa sinyal dengan eksitasi 80 Hz

memiliki nilai heat trasnfer coefficient yang paling tinggi. Pada gambar 4.20

terlihat bahwa indeks maksimal sumbu Y ialah sekitar 25.5 W/m2K, lebih


83


besar daripada 120 Hz yang hanya mampu mencapai nilai 24.6 W/m2K dan

160 Hz yang hanya mampu mencapai nilai 24 W/m2K.

Dapat disimpulkan bahwa pada frekuensi paling rendah yaitu 80 Hz dapat

menghasilkan nilai heat transfer coefficient yang paling besar. Hal ini

dikarenakan dalam eksitasi yang kecil, udara akan mampu menempuh jarak

yang lebih jauh karena periode waktu sebelum udara dihisap kembali akan

lebih lama. Sehingga nilai intensitas turbulensi cenderung lebih luas, mulai

dari keluar nozzle hingga ke area heatsink. Turbulensi memiliki

kecenderungan untuk membentuk aliran secara acak sehingga udara akan

memiliki kecenderungan yang lebih besar untuk dapat mencapai seluruh

permukaan heatsink. Hal ini akan meningkatkan nilai heat transfer coefficient

jet sintetik. Hal ini terbukti dengan melihat grafik heat transfer coefficient

pada seluruh prototype bahwasanya frekuensi yang lebih rendah memberikan

nilai heat transfer coefficient yang paling tinggi bila dibandingkan dengan

frekuensi yang lebih tinggi pada jenis gelombang yang serupa.

Dari segi konduktivitas thermal terlihat bahwa nilai konduktivitas thermal

berfluktuatif seiring berjalnnya waktu. Diketahui bahwa dari seluruh prototype

terlihat bahwa nilai konduktivitas thermal lebih tinggi pada fase saat dimana

membran mencapai posisi tengah (1/2 dan 1 gelombang). Hal ini bisa

disebabkan akibat dari energi yang terjadi akibat fase suction atau discharge

yang bergerak dalam cavity dan berakumulasi sehingga pada saat membran

berada pada posisi tengah (tidak ada energi yang diberikan atau diambil oleh

membran) energi yang sebelumnya diberikan pada udara berkumpul sehingga

volume udara yang dapat dipergunakan untuk menyerap kalor menjadi

semakin besar. Pada seluruh prototype terlihat bahwa luasan dari

konduktivitas thermal ini akan berakumulasi di sekitar area heatsink bagian

atas dekat dengan udara ambient, tetapi luasan tersebut memiliki ukuran dan

nilai yang berbeda pada tiap-tiap prototype, jenis sinyal dan eksitasi yang

diberikan.

Dari segi temperatur terlihat bahwa dari seluruh prototype, prototype 3

pada sinyal square 80 Hz lah yang memberikan nilai pendinginan yang paling

tinggi. Dan juga temperatur dalam domain cenderung akan turun dari waktu


84


ke waktu, terutama pada bagian dekat dengan domain pressure outlet bagian

atas.

Dari segi intensitas turbulensi terlihat bahwa pada prototype 1 nilai

turbulensi yang terbentuk pada suction lebih besar daripada discharge. Hal

yang serupa terjadi pada prototype 2, hanya saja nilainya tidak sejauh seperti

pada prototype 1. Hal ini disebabakan adanya perbedaan kontur antara bagian

atas dan bawah jet sintetik. Kemiringan pada bagian dalam cavity

menyebabkan udara yang masuk saat fase suction terhambat untuk menyebar

di dalam cavity sehingga udara berkecepatan tersebut akan terakumulasi di

sekitar nozzle. Sehingga udara yang berakumulasi tersebut akan saling

mendesak masuk ke dalam cavity jet sintetik melalui nozzle. Dikarenakan

cavity jet sintetik memiliki dimensi yang relative kecil, maka udara tersebut

akan cenderung berakumulasi dan bersirkulasi di dalam cavity selama fase

suction.

Sedangkan pada prototype 3 dan 4 tidak memiliki perbedaan yang besar

antara kecepatan suction dan discharge. Sama halnya seperti pada kontur

intensitas turbulensi, antara fase suction dan discharge tidak terdapat

perbedaan yang besar. Hal ini dikarenakan kontur bagian atas dan bawah jet

sintetik cenderung simetris, sehingga udara akan menyebar secara lebih teratur

ke seluruh bagian cavity jet sintetik. Tetapi hal ini tentunya juga memiliki

pengaruh dari segi efektivitas pendinginan.

4.4 Tingkat Kepercayaan (Level of Confidence) dan Persentase Error

Pengukuran Penelitian

Di dalam statistik ketika menduga sesuatu hal, maka akan dikenakan

tingkat kepercayaan terhadap interval yang ada. Tingkat kerpercayaan dapat

dikatakan sebagai seberapa benar atau meyakinkan hasil pengukuran atau

dugaan interval. Besarnya tingkat kepercayaan yang digunakan dalam

penelitian ini adalah 95%.

Untuk menentukan besarnya error pengukuran, maka diperlukan nilai

error standard dan mean pengukuran. Mean pengukuran dapat dinyatakan

sebagai:


85


Sedangkan error standard didapat dari nilai standard deviasi dibagi dengan

akar pangkat dua dari jumlah pengukuran yang dapat dinyatakan sebagai:

Hasil pengukuran error standard dan standard deviasi serta ketakpastian

pengukuran yaitu:

4.4.1 Statistik deskriptif terhadap data pengukuran prototype 1

Frekuensi Mean Standard

Deviasi Standar Error Uncertainty

Prototype 1

Sinusoidal

80 Hz 55.24 0.501 0.0930 0.1904

120 Hz 56.08 0.162 0.0300 0.0615

160 Hz 56.10 0.183 0.0339 0.0695

Triangle

80 Hz 55.99 0.176 0.0326 0.0669

120 Hz 56.08 0.121 0.0225 0.0461

160 Hz 56.22 0.055 0.0102 0.0209

Square

80 Hz 55.92 0.340 0.0632 0.1294

120 Hz 56.33 0.068 0.0127 0.0259

160 Hz 56.31 0.117 0.0217 0.0445

Besarnya persentase error pada tiap sinyal adalah besarnya uncertainty dibagi

mean yaitu:

Frekuensi Presentase error

Prototype 1

Sinusoidal

80 Hz 0.3448

120 Hz 0.1098

160 Hz 0.1239

Triangle

80 Hz 0.1194

120 Hz 0.0822

160 Hz 0.0372

Square

80 Hz 0.2314

120 Hz 0.0461

160 Hz 0.0789


86





Prototype 2

Sinusoidal

80 Hz 56.07 0.287 0.0533 0.1092

120 Hz 56.32 0.078 0.0145 0.0296

160 Hz 56.56 0.123 0.0229 0.0469

Triangle

80 Hz 56.69 0.081 0.0151 0.0309

120 Hz 56.07 0.143 0.0266 0.0545

160 Hz 56.10 0.092 0.0172 0.0352

Square

80 Hz 56.04 0.292 0.0543 0.1111

120 Hz 56.38 0.112 0.0208 0.0426

160 Hz 56.41 0.168 0.0312 0.0639


mean yaitu:


Prototype 2

Sinusoidal

80 Hz 0.1947

120 Hz 0.0526

160 Hz 0.0829

Triangle

80 Hz 0.0545

120 Hz 0.0973

160 Hz 0.0627

Square

80 Hz 0.1983

120 Hz 0.0755

160 Hz 0.1133




Prototype 3

Sinusoidal

80 Hz 55.30 0.386 0.0718 0.1470

120 Hz 54.73 0.093 0.0173 0.0355

160 Hz 55.25 0.150 0.0279 0.0571

Triangle

80 Hz 55.97 0.144 0.0268 0.0548

120 Hz 55.63 0.109 0.0203 0.0416

160 Hz 56.01 0.251 0.0467 0.0956

Square

80 Hz 55.31 0.307 0.0569 0.1166

120 Hz 54.79 0.165 0.0306 0.0628

160 Hz 55.39 0.186 0.0346 0.0709


87



mean yaitu:


Prototype 3

Sinusoidal

80 Hz 0.2658

120 Hz 0.0648

160 Hz 0.1033

Triangle

80 Hz 0.0979

120 Hz 0.0748

160 Hz 0.1707

Square

80 Hz 0.2108

120 Hz 0.1145

160 Hz 0.1279




Prototype 4

Sinusoidal

80 Hz 55.73 0.308 0.0572 0.1172

120 Hz 55.87 0.141 0.0262 0.0536

160 Hz 55.70 0.577 0.1072 0.2195

Triangle

80 Hz 56.32 0.050 0.0093 0.0190

120 Hz 56.20 0.097 0.0181 0.0370

160 Hz 56.39 0.121 0.0225 0.0460

Square

80 Hz 56.41 0.101 0.0187 0.0383

120 Hz 56.34 0.128 0.0239 0.0489

160 Hz 56.49 0.114 0.0211 0.0432


mean yaitu:


Prototype 4

Sinusoidal

80 Hz 0.2103

120 Hz 0.0959

160 Hz 0.3941

Triangle

80 Hz 0.0337

120 Hz 0.0658

160 Hz 0.0816

Square

80 Hz 0.0679

120 Hz 0.0867

160 Hz 0.0765


88


BAB 5

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

� Dari seluruh sinyal terlihat bahwa ekstasi 80 Hz dapat memberikan

pendinginan secara menyeluruh yang paling baik pada heatsink. Hal ini

dikarenakan pada sinyal yang kecil udara dapat menempuh jarak yang

lebih jauh, sebelum akhirnya dihisap kembali oleh membran.

� Sedangkan dari seluruh prototype terlihat bahwa prototype 3 yang

memberikan nilai pendinginan yang paling baik.

� Perpaduan terbaik antara prototype, sinyal dan eksitasi ialah pada

prototytpe 3 sinusoidal 80 Hz dan prototype 3 square 80 Hz.

� Dari segi kontur thermal conudctivity terlihat bahwa kecenderungan udara

yang memiliki nilai thermal conductivity tertinggi terjadi pada bagian luar

cavity di dekat area outlet udara.

5.2 Saran

Dalam mencapai hasil yang lebih maksimal, maka diperlukan beberapa

pengembangan dalam penelitian jet sintetik, yaitu:

1. Pengkajian lebih lanjut mengenai hubungan geometri jet sintetik terhadap

efek pendiginan seperti ukuran nozzle guna memperoleh efek turbulensi

yang lebih besar untuk pendinginan.

2. Variasi pada jenis gelombang yang berbeda pada membran bagian atas dan

membran bagian bawah pada jet sintetik.

3. Penggunaan piezoelectric sebagai alternative pengganti membrane speaker

guna memperoleh kekutan untuk menghasilkan velocity inlet yang lebih

besar.

4. Memvariasikan nilai amplitude sinyal serta membuat sinyal menjadi

asymetris guna memperkecil efek suction.


89 Universitas Indonesia

DAFTAR REFERENSI

Haliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2000). Fundamental of Physics(6th ed.).

New York: John Willey & Sons, Inc.

Harinaldi, Rhakasywi, D., & Defriadi, R. (2011). Flow and heat transefer

characteristics of an impinging synthetic air jet under sinusoidal and triangular

wave forcing. IJET-IJENS: 2011

Holman, J.P. (1986). Heat Transfer(6th ed.). New York: McGraw-Hill.

Jagannatha, D., Narayanaswamy, R., & Chandratilleke, T.T. (2007). Performance

characteristics of a synthetic jet module for electronic cooling. pp. 1-10.

King, A.J.C., & Jagannatha, D. (2009, July). Simulation of synthetic jets with non-

sinusoidal forcing functions for heat transfer applications. Paper presented at

the 18th World IMACS / MODSIM Congress, Cairns, Australia.

Lasance, C.J.M., & Aarts, R.M. (2008). Synthetic jet cooling partI: Overview of

heat transfer and acoustics. Paper presented at the 24th IEEE SEMI-THERM

Symposium.

Mahalingam, Raghav (2007). Modeling of synthetic jet ejectors for electronics

cooling. Paper presented at the 23rd IEEE SEMI-THERM Symposium.

Mahalingam, R., Heffington, S., Lee, J., & Schwickert, M. (2006). Newisys server

processor cooling augmentation using synthetic jet ejectors. IEEE, pp. 705-709.

McGuinn, A., Persoons, T., Valiorgue, P., O’Donovan, T.S., & Murray, D.B.

(2008). Heat transfer measurements of an impinging synthetic air jet with

constant stroke length. Paper presented at the 5th European Thermal-Sciences

Conference, Netherlands.

Munson, Bruce R., Young, Donald F., Okiishi, Theodore H. (2004). Mekanika

Fluida(Harinaldi & Budiarso, Penerjemah). Jakarta:Erlangga.

Persoons, T., O’Donovan, T.S., & Murray, D.B. (2008, July). Improving the

measurement accuracy of PIV in a synthetic jet flow. Paper presented at the

14th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid

Mechanics, Lisbon, Portugal.

Sharma, R.N. (2007, December). Some insights into synthetic jet actuation from

analytical modelling. Paper presented at the 16th Auatralasian Fluid Mechanics

Conference.


90


Tesar, V., Chuan, H.H., & Zimmerman, W.B. (2005). No-moving-part hybrid-

synthetic jet actuator. SNA-4850, pp. 1-11.

Tuakia, F. (2008). Dasar-Dasar CFD menggunakan FLUENT.

Bandung:Informatika.

Zhang, JingZhou, & Tan, XiaoMing (2007). Experimental study on flow and heat

transfer characteristics of synthetic jet driven by piezoelectric actuator. Science

in China Series E: Technological Sciences, 50, 221-229.

Department of Chemical Engineering and Biotechnology, University of

Cambridge (n.d.). Hydrodynamic voltammetry. June 7, 2011.

http://www.ceb.cam.ac.uk/pages/hydrodynamic-voltammetry.html


pengembangan prototype sistem pendinginan...

Documents